研究进展
我实验室创新团队在北极大气-海冰-海洋相互作用研究中取得新进展
来源:顾逢冠、席星雅
2024.06.26
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全球变化背景下,北极海冰正在经历快速变化,北极进入“新北极”的气候状态。为了深入认识新气候背景下的北极地区大气-海冰-海洋相互作用过程,国际上于2019-2020年组织了近20年来规模最大的北冰洋现场科考“北极气候多学科漂流冰站观测计划 (MOSAiC)”。我实验室极地海洋与气候变化团队基于MOSAiC观测数据,在北极大气-海冰-海洋相互作用研究中取得了新进展,为准确理解北极海冰和低层大气变化提供了新的视角和方法。


在海冰下界面,海洋和海冰之间的热通量是影响海冰质量平衡的关键过程,其中冰点温度是计算海洋热通量的关键参数。然而,现有研究尚未充分认识冰点温度参数化对海冰厚度模拟的影响。利用MOSAiC期间采集的大气、海洋和海冰观测数据,结合海冰柱模式ICECPACK,研究团队评估了冰点温度参数化对海冰厚度模拟的影响。研究发现,海冰厚度的模拟对采用不同的冰点温度参数化方案较为敏感,现有的冰点温度参数化方案会导致较大的海冰厚度模拟偏差。考虑到冰点温度在冬季应接近海表面温度,本研究提出了一种改进的冰点温度参数化方案。将改进的参数化方案应用于所有浮标的海冰厚度数值模拟,结果表明,新方案将平均绝对误差从7.4厘米减少到4.2厘米(图1)。



图1. 每月海冰厚度模拟与观测之间的平均偏差比。不同颜色表示使用不同的冰点温度参数化方案,其中Mushy-m为本研究提出的新方案。




在海冰上边界,大气边界层结构对海冰-大气物质能量交换有着至关重要的影响。然而,北极中央海区观测数据的缺乏限制了我们对该区域大气边界层结构特征的理解,现有相关研究在很大程度上依赖于大气再分析数据。利用MOSAiC观测资料,研究团队评估了ERA5再分析数据集中的大气边界层高度(PBLH)产品。研究发现,在高海冰密集度情况下ERA5的PBLH存在显著高估(图2),这可能与ERA5在高海冰密集度时存在较大的近冰表温度和比湿偏差有关。此外,由于ERA5难以准确捕捉垂直风切变,导致其在中性层结下的PBLH表现较差。最后,该研究基于随机森林方法建立了一套ERA5 PBLH数据的误差校正模型,为获取准确的北极大气边界层高度数据提供了新途径。



图2. MOSAiC PBLH和 ERA5 PBLH之间的差异。PBLH 根据不同的季节、海冰密集度、边界层层结和总云量进行分类。




上述研究分别于2024年6月在高水平期刊Geophysical Research Letters(论文题目为:“Effects of Freezing Temperature Parameterization on Simulated Sea-Ice Thickness Validated by MOSAiC Observations”)和Journal of Geophysical Research: Atmospheres(论文题目为:“Evaluation of the Planetary Boundary Layer Height from ERA5 Reanalysis with MOSAiC Observations over the Arctic Ocean”)发表。中山大学大气科学学院博士生顾逢冠和席星雅分别为这两篇文章的第一作者,我实验室创新团队骨干成员、中山大学大气科学学院刘长炜博士为这两篇文章的通讯作者,合作者包括实验室主任陈大可院士,杨清华教授、韩博副教授、硕士生彭诗杰,美国科罗拉多大学Matthew D. Shupe教授,德国AWI的Frank Kauker研究员,中国气象局地球系统数值预报中心房永杰研究员,以及南京信息工程大学博士生周少辉。




该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、南方海洋实验室创新团队建设科研经费等的支持。




原文链接:https://doi.org/10.1029/2024JD040779(阅读论文请点击链接)




原文链接:https://doi.org/10.1029/2024GL108281(阅读论文请点击链接)


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